[논문 리뷰] Type-III Weyl Semimetals and its Materialization

Xiaoping Li, Ke Deng외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 26.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다중 웨일 포인트를 갖는 두 전자 또는 두 구멍 포켓을 수용하는 것으로 특징지어지는 새로운 유형의 웨일 반도체인 타입-III를 제안한다. 이는 준일차원 화합물 (TaSe4)2I에서 입증되었다. 밀도함수이론 기반의 첫 번째 원리 계산과 역방향 광전자방출분광법(ARPES)을 통해 그들의 금속성 없는 성질, 네 개의 나선형 표면 상태, 그리고 외부 스트레인에 의한 리프시츠 전이에 의한 토폴로지적 위상 조절 가능성이 확인되었다.

ABSTRACT

Weyl semimetals have been classified into type-I and type-II with respect to the geometry of their Fermi surfaces at the Weyl points. Here, we propose a new class of Weyl semimetal, whose unique Fermi surface contains two electron or two hole pockets touching at a multi-Weyl point, dubbed as type-III Weyl semimetal. Based on first-principles calculations, we first show that quasi-one-dimensional compound (TaSe4)2I is a type-III Weyl semimetal with larger chiral charges. (TaSe4)2I can support four-fold helicoidal surface states with remarkably long Fermi arcs on the (001) surface. Angle-resolved photoemission spectroscopy measurements are in agreement with the gapless nature of (TaSe4)2I at room temperature and reveal its characteristic dispersion. In addition, our calculations show that external strain could induce topological phase transitions in (TaSe4)2I among the type-III, type-II, and type-I Weyl semimetals, accompanied with the Lifshitz transitions of the Fermi surfaces. Therefore, our work first experimentally indicates (TaSe4)2I as a type-III Weyl semimetal and provides a promising platform to further investigate the novel physics of type-III Weyl fermions.

연구 동기 및 목표

• 타입-I 및 타입-II와는 다름없이 새로운 토폴로지적 위상인 타입-III 웨일 반도체를 식별하고 특성화하는 것.
• (TaSe4)2I가 더 큰 캐리어 전하를 지닌 다중 웨일 포인트를 지닌다는 것을 입증하여 고유한 표면 상태를 가능하게 하는 것.
• 실온에서의 역방향 광전자방출분광법(ARPES)을 이용하여 물질의 토폴로지적 성질을 실험적으로 검증하는 것.
• 외부 스트레인을 통해 (TaSe4)2I에서 타입-I, II, III 웨일 반도체 간의 토폴로지적 위상 전이를 유도할 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• (TaSe4)2I의 전자 밴드 구조와 토폴로지 불변량을 결정하기 위한 첫 번째 원리 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 웨일 포인트에서의 페르미 표면 위상과 캐리어 전하 분석을 통해 물질이 타입-III로 분류됨을 확인.
• (001) 표면에서 표면 상태를 시뮬레이션하여 네 개의 나선형 페르미 궤적을 지닌 표면 상태 존재를 예측.
• 이론적 밴드 분산과 실험적 역방향 광전자방출분광법(ARPES) 데이터를 비교하여 금속성 없는 표면 상태를 확인.
• DFT 계산에 스트레인을 적용하여 리프시츠 전이와 토폴로지적 위상 경계를 탐색.
• 체르니 수와 웨일 포인트 분석을 통한 토폴로지적 특성화로 다중 웨일 페르미온 존재를 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 웨일 반도체가 두 전자 또는 두 구멍 포켓을 지닌 다중 웨일 포인트를 수용할 수 있으며, 새로운 토폴로지적 클래스를 형성할 수 있는가?
• RQ2 (TaSe4)2I는 타입-III 웨일 성질에 의해 네 개의 나선형 표면 상태와 연장된 페르미 궤적을 나타내는가?
• RQ3 실온에서의 ARPES를 통해 (TaSe4)2I의 금속성 없는 성질을 실험적으로 검증할 수 있는가?
• RQ4 외부 스트레인이 (TaSe4)2I에서 타입-I, II, III 웨일 반도체 간의 토폴로지적 위상 전이를 유도할 수 있는가?
• RQ5 페르미 표면 위상 변화(리프시츠 전이)는 스트레인 조절 토폴로지 전이에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• (TaSe4)2I는 두 전자 또는 두 구멍 포켓을 수용하는 다중 웨일 포인트를 지닌 타입-III 웨일 반도체로 확인되었다.
• 첫 번째 원리 계산을 통해 기존의 웨일 반도체보다 더 큰 캐리어 전하가 (TaSe4)2I에 존재함을 확인하였다.
• (TaSe4)2I의 (001) 표면에서 네 개의 나선형 표면 상태를 지닌 놀랍게 긴 페르미 궤적이 예측되었다.
• 역방향 광전자방출분광법 측정을 통해 (TaSe4)2I의 실온에서의 금속성 없는 성질이 확인되었다.
• 실험적 ARPES 데이터는 이론 예측과 일치하며, 타입-III 웨일 페르미온에 특징적인 분산을 보였다.
• 외부 스트레인은 타입-I, II, III 웨일 반도체 간의 토폴로지적 위상 전이를 유도하며, 이는 페르미 표면 위상에서 리프시츠 전이를 수반한다.